Пирометаллургические методы молучения металлов

Размещено на http://allbest.ru

Министерство образования и науки Республики Казахстан

НАО ВОСТОЧНО-КАЗАКСТАНСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ им. Д. Серикбаева

РЕФЕРАТ

На тему: «Пирометаллургические методы молучения металлов»

По дисциплине: Комплексное использование сырья и отходов металлургического производства

Подготовил: магистрант Шарипов М.Ш.

Проверяющий:

Ассоциированный профессор Реутова Г.А

Усть-Каменогорск 2022



Содержание

Введение

1. Пирометаллургические процессы

2. Обжиг

3. Плавка

3.1 Рудные плавки

3.2 Рафинировачные плавки

3.3 Металлотермическая плавка

4. Дистилляция

5. Рафинирование

5.1 Ликвационное рафинирование

5.2 Электролитическое рафинирование

Заключение



Введение

Пирометаллургия (от греч. ру-огонь и металлургия), совокупность высокотемпературных процессов получения и рафинирования металлов и их сплавов. До кон. 19 в. металлы получали только с помощью пирометаллургических процессов; в настоящее время, несмотря на быстрый прогресс новых направлений - гидрометаллургии и электрометаллургии, пирометаллургия сохраняет ведущее положение. В крупнейших по объему выпускаемой продукции производствах чугуна и стали используют только пирометаллургические переделы. Пирометаллургическим способом получают основную часть Cu, Pb, Ni, Ti и других важнейших металлов, а, кроме того, во многих технологических схемах пирометаллургические процессы сочетаются с гидро- и электрометаллургическими. По целевому признаку пирометаллургические процессы можно разделить на подготовительные, концентрирование и очистку от основной массы примесей, получение металлов из их соединений, глубокую очистку металлов (рафинирование).

Наиболее распространенная подготовительная операция - обжиг, который проводят при температуре ниже температур плавления сырья и продукта с целью изменения состава, удаления вредных примесей или(и) укрупнения пылевидных материалов (агломерирующий обжиг, или агломерация). По назначению и характеру протекающих процессов различают: окислительный обжиг, приводящий к получению оксидов или сульфатов (сульфатизирующий обжиг) при взаимодействии сульфидных материалов с кислородом воздуха (например, обжиг медных и молибденовых концентратов, сульфатизирующий обжиг цинковых концентратов); восстановительный обжиг для получения низших оксидов или металлов путем взаимодействия исходных материалов с углем или др. восстановителями (например, магнетизирующий обжиг железных руд с добавкой угля для перевода Fe2O3 в Fe3O4 перед электромагнитным обогащением); кальцинирующий обжиг для получения оксидов металлов из их гидратов. карбонатов или других соединений, разлагающихся при высокой температуре; обжиг с добавками твердых или жидких реагентов (напр., спекание вольфрамовых концентратов с содой для получения растворимого в воде Na2WO4, сульфатизация концентратов и промышленных продуктов, содержащих Nb, Та и др. редкие металлы, с использованием H2SO4) и др. способы обжига.



1. Пирометаллургические процессы

По технологическим признакам выделяют следующие виды пирометаллургических процессов: обжиг, плавка, конвертирование, рафинирование, дистилляция. Обжиг характеризуется тем, что материал сохраняет твёрдое состояние при изменении состава и некотором укрупнении частиц; проводится в кипящего слоя печах (эффективный процесс, широко применяемый в цветной металлургии), многоподовых печах (например, производство меди, ферромолибдена), трубчатых печах (магнетизирующий обжиг железных концентратов), на агломерационных машинах (см. Агломерация), в муфельных печах (металлургия редких металлов).

Плавка характеризуется полным расплавлением шихты и разделением расплава обычно на 2 слоя (металл и шлак или металл и штейн); проводится в шахтных печах (например, доменное производство, производство свинца, никеля, меди), отражательных печах (мартеновское производство, отражательная плавка медных концентратов), электропечах (производство стали, ферросплавов, меди, никеля), циклонных камерах (переработка медно-цинкового сырья) и др. агрегатах.

В особую группу плавок выделяют так называемые металлотермические процессы (см. Металлотермия), основанные на реакциях восстановления металлов из их соединений химически более активными металлами (реакции протекают с выделением значительного количества тепла). Конвертирование, которое можно рассматривать как разновидность плавки, заключается в продувке воздухом или кислородом расплавленных материалов (чугун, штейн) с присадкой флюсов и небольшого количества сырья (лом, богатые концентраты); конвертирование основано на использовании тепла экзотермических реакций и осуществляется в конвертерах (конвертерное производство, производство меди, никеля). Рафинирование -- обработка расплавленных черновых металлов с помощью присадок (солей, щелочей, металлов), наведением специальных шлаков, окислением примесей, вакуумированием расплава и т.д. (иногда рафинирование проводят в процессе кристаллизации жидкого металла); агрегатами для рафинирования могут служить отражательные печи (производство меди, цинка, золота), котлы (производство свинца, олова). Дистилляция заключается в переводе восстанавливаемого металла в парообразное состояние с последующей конденсацией; осуществляется в ретортных печах (производство цинка), шахтных печах (производство свинца, цинка, олова), печах с кипящим слоем (производство титана).



2. Обжиг

Обжиг (а. roasting; н. Rosten; ф. calcination, grillage; и. соccion, соcimiento, calcinacion) -- процесс термической обработки материалов, осуществляемый для направленного изменения их физических свойств и химического состава.

Обжиг применяют для подготовки руд и концентратов к последующему переделу (обогащению, окускованию, дистилляции, плавке и др.) или получения конечных продуктов (извести, цемента, пористых заполнителей, керамических изделий и др.).

Обжиг заключается в нагреве материалов до определённой температуры, выдержке при этой температуре и охлаждении с заданной скоростью.

Различают термический обжиг с диссоциацией соединений, окислительный и сульфатизирующий; различные виды восстановительного и хлорирующего обжига.

Термический обжиг с диссоциацией соединений включает: декарбонизирующий обжиг (удаление кислоты при обжиге известняка, доломита, магнезита, фосфорита и др.); пирротинизирующий обжиг (перевод парамагнитного пирита в сильномагнитные моноклинные пирротины); дистилляционный обжиг (выделение из руд или концентратов сурьмы, ртути, мышьяка в парообразном состоянии); спекающий обжиг (перевод извлекаемых металлов в соединения, растворимые в воде; применяется в основном в алюминиевой промышленности при производстве глинозёма из бокситов спеканием с содой или щёлочью).

Окислительному обжигу обычно подвергают сульфидные руды с целью полного или частичного удаления серы и перевода сульфидов железа в легкошлакуемые при последующей плавке оксиды. Сульфатизирующий обжиг применяют перед гидрометаллургическим переделом для перевода извлекаемых цветных металлов в водорастворимые сульфаты, а железа -- в нерастворимые в воде оксиды. Восстановительный магнетизирующий обжиг бедных железных руд используется для перевода немагнитных и слабомагнитных оксидов железа в искусственный магнетит, восстановительно-металлизирующий обжиг -- для прямого получения губчатого железа и железных порошков, восстановительно-дистилляционный обжиг -- для получения сурьмы (отличается от дистилляционного обжига наличием твёрдого или газообразного восстановителя), восстановительно - сульфидизирующий обжиг -- для переработки бедных никель-кобальтовых руд (оксиды никеля, железа и кобальта при обжиге сульфидируются).

Восстановительно - хлорирующий обжиг применяется для облегчения извлечения титана, ниобия, тантала и меди из никелевых концентратов (обжиг проводится в присутствии восстановителя и газообразного хлора).

Восстановительно-хлорирующий сегрегационный обжиг используется при подготовке труднообогатимых руд цветных металлов к флотации или магнитной сепарации, осуществляется в присутствии твёрдого восстановителя с добавкой хлоридов натрия или кальция.

Цель хлорирующего обжига -- превратить оксиды и сульфиды металлов в хлориды. Обжиг иногда совмещают со спеканием руды или концентрата с активными добавками (сода, мел и др.) или компонентами шихты (обжиг с окускованием для облегчения последующей переработки). Обжиг проводят в печах (шахтных, многоподовых, вращающихся, трубчатых, барабанных, кипящего слоя) и в обжиговых и агломерационных машинах.

Обжиг - это металлургический процесс, проводимый при температурах ниже температур расплавления сырья, с участием твердой поверхности исходного материала и газообразных реагентов. Значение обжига: Проводится с целю придания исходному сырью нужного химического состава и формы, которые удобны для последующей переработки.

Разновидности обжига:

1. Окислительный обжиг - это процесс перевода сульфидных материалов в оксиды металлов под воздействием кислорода воздуха при повышенной температуре.

МеS + 1,5O₂ = МеO + SO^2­

2. Агломерационный обжиг (агломерация, обжиг со спеканием) - это металлургический процесс окускования мелких рудных материалов путем термического спекания с частичным удалением серы.

MeS + O₂ = MeO + SO^2­

Для лучшего окускования добавляют в качестве флюсов SiO2 (кварц).

MeO + SiO₂ = MeO*SiO₂

3. Кальцинирующий обжиг - это термическое разложение неустойчивых кислородсодержащих соединений (гидрооксидов, карбонатов,нитратов) с образованием оксидов металлов.

2Al(OH)₃ = Al₂O₃ + 3H₂O(газ)

СаСО₃ = СаО + СО₂;

4. Хлорирующий и фторирующий обжиг - это металлургический процесс перевода оксидов или сульфидов металлов в водорастворимые или летучие хлориды (фториды); которые извлекаются в раствор или улавливаются для дальнейшей переработки: нерастворимый осадок обычно направляется в отвалы.



TiO₂ + C + 2Cl₂ = TiCl₄ + CO₂

5. Восстановительный обжиг - обжиг руды в восстановительных условиях, в процессе которого она частично восстанавливается до металла.

МеО + СО = Ме + СО₂

6. Сульфатизирующий обжиг - вид окислительного обжига сульфидных материалов, при котором образуются водорастворимые сульфаты металлов.

MeS + 2О₂ = MeSO₄.



3. Плавка

Плавление (плавка, выплавка) -- это тепловая обработка руды для выделения из неё металла. Является формой добывающей металлургии.

Процесс плавления используется для извлечения многих металлов из их руд, в том числе серебра, железа, меди и других неблагородных металлов. В ходе плавления используется тепло и химический восстановитель для разложения руды, удаления других элементов в виде газов или шлака, в результате чего остаётся металлическая основа.

Восстановителем обычно является источник углерода, такой как кокс, или, в более ранние времена, древесный уголь.

Углерод (или получаемый из него монооксид углерода) удаляет из руды кислород, оставляя металлические элементы.

Таким образом, углерод окисляется в два этапа, производя вначале монооксид углерода, а затем двуокись углерода.

Поскольку большинство руд содержат примеси, часто необходимо использовать флюс, такой как известняк, для удаления сопутствующей породы в виде шлака.

Плавка - это металлургический процесс, протекающий при температуре, выше температуры плавления сырья и обеспечивающий физико-химические превращения.

Разновидности плавок:

· Рудные

· Рафинировочные

Плавку проводят в плавильных печах. В результате плавки получают несколько продуктов, которые разделяются по плотности.

Продукты плавки:

1. Черновой металл - это неочищенный металл, содержащий примеси.

Классификация примесей:

· Вредные - это примеси, ухудшающие свойства металла (сера, мышьяк, сурьма).

· Ценные металлы-спутники - благородные металлы, медь, кадмий.

Поэтому черновой металл обязательно подвергают очистки, с целью удаления вредных примесей и извлечения ценных металлов-спутников.

2. Шлак - это расплав оксидов металлов. В основном в шлак уходит пустая порода. Химический состав шлака: FeO, SiO2, CaO, частично ZnO.

3. Штейн - это расплав сульфидов цветных металлов. В основном штейн стоит из Cu2S, FeS, Ni2S3.

4. Шпейза (редко) - нежелательный продукт плавки - расплав мышьяковистых и сурьмянистых соединений металла. Шпейза получается, если в руде содержалось более 2-3% мышьяка и сурьмы. Шпейза мешает более полному разделению продуктов плавки.

3.1 Рудные плавки

Рудные плавки - это плавки, направленные на переработку руды или концентрата с целью получения чернового металла.

1. Восстановительная плавка - это рудная плавка, направленная на получение металла за счёт восстановления его из оксидов с помощью углеродистого восстановителя ( С - кокс, СО - окись углерода).

МеО + С =Ме + СО

МеО + СО = Ме + СО₂ (преимущественно)

2. Окислительная плавка - это проводимая в окислительной атмосфере, с целью получения более богатого штейна.

В качестве окислительной атмосферы используется воздух, обогащенный кислородом.

3. Реакционная плавка - это рудная плавка, направленная на получение чернового металла, за счет взаимодействия оксида металла с сульфидом.

По этому методу получают медь в процессе конвертирования.

МеО + MeS > Ме + SО₂^

оксид сульфид черн Ме газ

4. Плавка на штейн - это плавка, направленная на получение богатого штейна и отделения пустой породы в виде шлака.

Плавку на штейн проводят в нейтральной восстановительной или окислительной атмосфере. Наиболее выгодно проводить в окислительной атмосфере, тогда плавку называют концентрационной плавкой на штейн.

3.2 Рафинировачные плавки

Рафинировочные плавки - это плавки, направленные на очистку чернового металла от примесей. Они основаны на различии химических и физических свойств основного металла и примесей.

1. Окислительное рафинирование (огневое) - это плавка, основанная на различном химическом сродстве к кислороду основного металла и примеси, т.е. примеси с кислород дают более устойчивые соединения, чем основной металл.

2. Карбонильное рафинирование - это очистка металла от примесей, основанная на образовании примесей с угарным газом (СО) летучих карбонилов.

Ме + СО > Ме(СО)n ^

примесь карбонил



3.3 Металлотермическая плавка

Металлотермическая плавка - это плавка, направленная на получение металла за счет восстановления его из соединения более активным металлом.

Металлом восстановителем может быть:

· натрий - натриетермия;

· магний - магниетермия;

· алюминий - алюмотермия.

Этим методом можно получать практический любой металл, но данный метод очень дорогой, поэтому его применяют для получения трудно восстановимых металлов (бериллий, ниобий, тантал, цирконий), либо для восстановления металла, который невозможно восстановить, т.к. он с углеродом образует карбиды (титан).

Ме*О + Ме > МеО + Ме*

акивный Ме

Ме*Cl + Ме > МеCl + Ме*

Металлотермические процессы основаны на восстановлении их оксидов и галогенидов другими, более активными металлами; протекают с выделением тепла. С помощью металлотермии получают такие металлы, как, напр., Ti, U, РЗЭ, Nb, Та, безуглеродистые сплавы, отличающиеся высокой чистотой (гл. обр. по углероду). Высокая чистота конечных продуктов металлотермического восстановления обусловливает, напр., высокую пластичность полученных металлов, т. к. содержание многих примесей в них, в первую очередь примесей внедрения, на очень низком уровне.



4. Дистилляция

Дистилляция (сепарация) - это процесс очистки чернового металла от примесей, основанный на различных температурах кипения примеси и основного металла. Чаще сего примеси имеют более низкую температуру кипения. пирометаллургический шихта печь чугун

В металлургии процессы дистилляции используются для разделения сплавов на составляющие или для очистки металлов от легколетучих примесей. Этот процесс в сочетании с предварительным окислительным рафинированием реализуют при получении Hg, Cu, Zn, Sn, Pb и пр.

Процесс дистилляции основан на различии в давлении паров компонентов сплава при температуре процесса, причем разделение тем эффективнее, чем больше это различие, а также различие в составах жидкости и пара.

При дистилляции металлического расплава газовая фаза обогащается легколетучим компонентом, а жидкость - менее летучим, т. е. концентрация основного летучего компонента в расплаве понижается. Это вызывает необходимость повышения температуры процесса испарения для обеспечения достаточной скорости испарения основного компонента. Более того, в конце процесса различия в составах расплава и пара уменьшаются, что снижает эффективность процесса разделения.

Температура. Увеличение температуры испарения ускоряет процесс парообразования, но это ускорение различно для различных компонентов сплава, поэтому уровень температуры выбирают оптимальным.

Поверхность испарения. Более развитая поверхность сплава увеличивает скорость испарения. Оксидные пленки, накопление в поверхностном слое труднолетучих примесей снижает скорость дистилляции. Скорость испарения компонента раствора тем больше, чем больше его активность в расплаве.

Глубина вакуума. Процессы дистилляции стремяться проводить в вакууме, что обеспечивает и более низкие рабочие температуры.



5. Рафинирование

Рафинирование металлов, очистка первичных (черновых) металлов от примесей. Черновые металлы, получаемые из сырья, содержат 96--99% основного металла, остальное приходится на примеси. Такие металлы не могут использоваться промышленностью из-за низких физико-химических и механических свойств. Примеси, содержащиеся в черновых металлах, могут представлять самостоятельную ценность. Так, стоимость золота и серебра, извлекаемых из меди, полностью окупает все затраты на Р. Различают 3 основных метода Р.: пирометаллургический, электролитический и химический. В основе всех методов лежит различие свойств разделяемых элементов: температур плавления, плотности, электроотрицательности и т.д. Для получения чистых металлов нередко используют последовательно несколько методов Р.

5.1 Ликвационное рафинирование

Ликвационное рафинирование (ликвация) - это процесс очистки, основанный на образовании нескольких фаз, отличающихся по плотности. Чаще всего этот процесс применяется, если примесь и основной металл отличаются по температурам кипения. Ликвация - нарушение однородности расплава, протекающее в жидком или затвердевающем металле.

Гетерогенизация расплава обусловлена различием в характере и величине сил взаимодействия между частицами расплава. При этом происходит обеднение компонентами одних участков объема расплава и обогащение других.

Такова картина ликвационных явлений в случае образования растворов между компонентами расплава.

Различие в характере и величине сил межчастичного взаимодействия может приводить к отделению друг от друга больших объемов расплава. В этом случае происходит разделение по плотности фаз.

В процессе кристаллизации слитка или непрерывно литой заготовки ликвация носит дендритный и зональный характер и является явлением нежелательным.

1. Дендритная ликвация проявляется в микрообъемах сплава, сравнимых с размерами зерен и устраняется высокотемпературным гомогенизирующим отжигом.

2. Зональная ликвация проявляется во всем объеме слитка или заготовки и уменьшается при увеличении скорости охлаждения расплава вследствие уменьшения сечения слитка, использования водоохлаждаемых кристаллизаторов (МНЛЗ) и пр.

Косвенно явление ликвации проявляется при реализации процессов окислительного рафинирования, раскисления и пр.

Ликвационным рафинированием очищают ряд цветных металлов: Pb от Cu, Sn от Fe, Zn от Pb и Fe. Этот способ используется для извлечения Ag и Au из Pb и т.д.

Ликвационные способы отличаются друг от друга температурными условиями их осуществления. Они проводятся:

· при охлаждении расплава и последующей выдержке при определенной температуре; в этом случае из расплава выпадает фаза, обогащенная примесью;

· при нагреве твердого сплава до температуры, при которой происходит выплавление легкоплавкой фазы, богатой примесью;

· при постоянной температуре, при которой в расплав вводятся добавки, обладающие высоким химическим сродством к примеси и образующие с ней самостоятельную фазу.



5.2 Электролитическое рафинирование

Электролитическое рафинирование (электротермия) - это очистка на основе процесса электролиза.

Электролитическое рафинирование, представляющее собой электролиз водных растворов или солевых расплавов, позволяет получать металлы высокой чистоты. Применяется для глубокой очистки большинства цветных металлов.

Электролитическое рафинирование с растворимыми состоит в анодном растворении очищаемых металлов и осаждении на катоде чистых металлов в результате приобретения ионами основного металла электронов внешней цепи.

Разделение металлов под действием электролиза возможно вследствие различия электрохимических потенциалов примесей и основного металла.

Например, нормальный электродный потенциал Cu относительно водородного электрода сравнения, принятого за нуль, + 0,346, у Au и Ag эта величина имеет большее положительное значение, a y Ni, Fe, Zn, Mn, Pb, Sn, Co нормальный электродный потенциал отрицателен. При электролизе медь осаждается на катоде, благородные металлы, не растворяясь, оседают на дно электролитной ванны в виде шлама, а металлы, обладающие отрицательным электродным потенциалом, накапливаются в электролите, который периодически очищают.

Иногда (например, в гидрометаллургии Zn) используют электролитическое рафинирование с нерастворимыми анодами. Основной металл находится в растворе, предварительно тщательно очищенном от примесей, и в результате электролиза осаждается в компактном виде на катоде.



Заключение

Пирометаллургия - освоенный человечеством способ получения металлов. И не смотря на то что нынешнее время появились более новые методы получения металлов остаятся основным способом производства большинства металлов. Но ее недостатками является затратность средств и отрицательное воздействие на природу и экологию. Задачей нашей является придумать способы минимизировать вред для окружающей среды, а также разработка безотходных методов пирометаллургии.



Список литературы

1. Кожахметов С.М. Новые эффективные процессы в пирометаллургии меди, никеля и золота: избр. тр.: книга вторая. - Алматы: Fылым ордасы, 2015. - 407 с

2. Жуков, Владимир Петрович. Пирометаллургия меди. Теория, практика, прикладная статистика : учебное пособие / В. П. Жуков, С. И. Холод; М-во образования и науки РФ, Урал. федер. ун-т им. первого Президента России Б. Н. Ельцина ; под общ. ред. В. П. Жукова. - Екатеринбург : УрФУ, 2015. - 854 с.

3. https://www.booksite.ru/fulltext/1/001/008/089/289.htm

4. http://www.chemport.ru/data/chemipedia/article_2829.html

5. Уткин Н.И. Цветная металлургия (технология отрасли).- М.: Металлургия - 1990 - 434с.

Размещено на Allbest.ru

...